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Leuchtdioden

Glossar

Leuchtdioden

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Leuchtdioden

Abstrahlfläche

AlInGaP, aluminium, indium, gallium and

phosphorous

Bin-Code

Candela

CCT, correlated color temperature

CRI, color rendering index Farbwiedergabeindex

Farbe

Farbraum

Farbtemperatur

Farbton

Footlambert

Helligkeit

InGaN, indium gallium nitride

Kelvin

LED, light emitting diode Leuchtdiode

Index

Leuchtdichte

Licht

Lichtart

Lichtstrom

OLED, organic light emitting diode

PLED, polymere light emitting diode

Power-LED

Raumwinkel

RC-LED, resonant cavity LED

SOLED, stacked OLED

SSL, solid state lighting

UV-LED, ultraviolet light emitting diode

Weiß

WLED, white LED

Impressum

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Leuchtdioden

Abstrahlfläche

emitting area

AlInGaP, aluminium,

indium, gallium and

phosphorous

Bin-Code

bin code

Halbleiterstrahlungsquellen, die Licht in Lichtwellenleiter abgeben sollen, haben zu diesem

Zweck eine Abstrahlfläche. Für die im Infrarotbereich verwendeten Strahlungsquellen, wie

Leuchtdioden (LED) und Laserdioden (LD), ist der Durchmesser dieser Abstrahlflächen 50 bis

100 µm bei der LED und ca. 5 µm bei der Laserdiode.

AlInGaP (Aluminium, Indium, Gallium, Phosphor) ist ein dotiertes Halbleitermaterial, das seit

Anfang der 90er Jahre in Leuchtdioden (LED) eingesetzt wird. Die Dotierung AlInGaP hat in

den spektralen Wellenlängen zwischen 630 nm und 670 nm, also bei Rot, Orange und

Bernstein, eine besonders hohe Lichtstärke.

Der Bin-Code ist ein einfacher Code in dem die Kennwerte für das Farb- und

Helligkeitsempfinden von Leuchtdioden (LED) zusammengefasst sind. Er besteht aus dem

Flux-Rating, der Vorwärtsspannung (Forward Voltage, Vf), den Farbtönen für Weiß und der

Emissionsfarbe der Leuchtdiode.

Aufbau des Bin-Codes

Die einzelnen Kennwerte sind als

Buchstaben und/oder Ziffern codiert.

Es gibt allerdings davon

abweichende Schemata, die mit

einem Code für die Helligkeit, für

die Wellenlängen und der

Vorwärtsspannung arbeiten. Darüber

hinaus gibt es neuere Bin-Codes,

die genauer sind und bei denen die

Farbflächen in den CIE-Farbraum

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Leuchtdioden

Candela

cd, candela

eingetragen sind.

Das Flux-Rating gibt die

minimale und maximale

Helligkeit in Lumen (lm)

an. Die Codierungsskala

reicht von 13,9 lm bis

249,6 lm. Die

Vorwärtsspannung (Vf) ist

ein weiterer wichtiger

Kennwert, der im Bin-Code

mit Werten zwischen 2,31

V und 8,31 V codiert ist.

Für die Farbnuancen von

Weiß kennt der Bin-Code

fünf Abstufungen zwischenWellenlängenbereiche des Bin-Codes

grünlich bis leicht violett und bei den Emissionsfarben unterscheidet man zwischen Weiß,

Königsblau, Blaugrün, Grün, Gelbgrün, Gelb, Gelborange, Orange und Rot. Wobei die

einzelnen Farben mehrfach wellenlängenmäßig unterteilt sind.

Candela (cd) ist die Maßeinheit für die Lichtstärke, für die von einer Lichtquelle in einer

bestimmten Richtung abgestrahlten Lichtenergie. Definitionsgemäß ist es die Energie, die ein

schwarzer Strahler mit 1/60 qcm Oberfläche bei der Schmelztemperatur von Platin, bei 1.770

°C während einer Sekunde ausstrahlt. Die Einheit Candela gehört zu den Basiseinheiten des

Einheitensystems (SI). Je höher der Candela-Wert ist, desto heller ist das emittierte Licht.

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Leuchtdioden

CCT, correlated color

temperature

CRI, color rendering

index

Farbwiedergabeindex

Ein Candela ist in 1.000 Millicandela (mcd) unterteilt.

Bezieht man die Lichtstärke auf eine Flächeneinheit, erhält man die Leuchtdichte.

Zwischen der Lichtstärke und dem Lichtstrom gibt es eine Beziehung über den Raumwinkel in

Steradian. Danach ergibt sich Candela aus dem Verhältnis von Lumen zum Raumwinkel.

Typische Candela-Werte liegen im Wohnraum zwischen 3 und 12 Candela, im Büro zwischen

10 und 20 Candela und Schaufenster haben zwischen 60 und 300 Candela.

Die Correlated Color Temperature (CCT) beschreibt die relative Farbtemperatur einer weißen

Lichtquelle. Die Abstufungen von Weiß reichen von Kaltweiß über Neutralweiß bis hin zu

Warmweiß. Diese feinen Unterschiede, die im Binning eingeteilt sind, drücken sich im

Farbempfinden aus, das Weiß als gelb-, orange- oder blaustichig charakterisiert. Die in Kelvin

(K) angegebene Correlated Color Temperature steht für die diversen Weiß-Schattierungen.

Kaltweiß hat den CCT-Bereich zwischen 10.000 Kelvin (K) und 4.500 K, der CCT-Bereich von

Neutralweiß liegt zwischen 4.500 K und 3.500 K und der von Warmweiß zwischen 3.500 und

2.540 K.

Der Color Rendering Index (CRI) ist der Farbwiedergabeindex, der zur Charakterisierung von

Leuchtquellen dient. Er ist ein Index für die Natürlichkeit der Farbe. Je größer der

Farbwiedergabeindex, der als CRI- oder Ra-Wert bezeichnet wird, desto natürlicher werden

Farben wiedergegeben und desto angenehmer werden sie empfunden. Die Größe des Ra-

Wertes kann zwischen 0 und 100 liegen und ist maßgeblich für die Farbwiedergabe von

beleuchteten Gegenständen.

Der Farbwiedergabeindex ist ein Vergleichswert mit dem das Beleuchtungsspektrum von

Lampen oder Leuchtdioden verglichen werden kann. Sonnenlicht hat den Farbwiedergabeindex

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Leuchtdioden

Farbe

color

100. Es gibt eine Klassifizierung für den Farbwiedergabeindex; so wird ein Ra-Wert von 95 als

hervorragend, einer von 90 als fair und einer von 80 als schlecht eingestuft. Der

Farbwiedergabeindex unterscheidet sich von der Farbtemperatur, die zwischen kaltem und

warmem Licht unterscheidet.

Neben Sonnenlicht mit einem Ra-Index von 100, haben beispielsweise Energiesparlampen

einen Ra-Wert von etwa 80, weiß leuchtende Leuchtdioden, WLEDs, bringen es auf einen CRI-

Wert von über 80. Eine Erhöhung des CRI-Wertes wird durch „warmweiß“ leuchtende LEDs

erzielt, die mit zwei Leuchtstoffen arbeiten.

Der Farbwiedergabeindex wird nach DIN in sechs Stufen mit den bereits erwähnten

Klassifizierungen angegeben. Meistens wird mit dem Farbwiedergabeindex auch die Lichtfarbe

angegeben.

Farbe ist eine subjektive visuelle Wahrnehmung, die durch sichtbares Licht von bestimmten

Wellenlängen im menschlichen Auge hervorgerufen wird. Die Farbe wird durch das individuelle

Empfinden des menschlichen Auges bestimmt ist und subjektiv von der Augenempfindlichkeit

abhängig. Farben die das menschliche Auge erkennt liegen im Wellenlängenbereich zwischen

Sichtbarer Lichtbereich

360 nm und 760 nm. In diesem

Bereich liegen alle Farben, die

das menschliche Auge

wahrnehmen kann.

Farbe ist der visuelle Eindruck von

dem Farbton, der Farbsättigung

und der Helligkeit. Das Spektrum

reicht von unbunt-dunkel-

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Leuchtdioden

ungesättigt (schwarz) über unbunt-hell-ungesättigt (weiß) bis hin zu bunt-dunkel-gesättigt

und bunt-hell-gesättigt.

Das menschliche Auge kann etwa 400.000 verschiedene Farben wahrnehmen. Diese Zahl

ergibt sich aus der wahrnehmbaren Anzahl an Farbtönen, ca. 130, an Farbsättigungen,

ebenfalls ca. 130, und aus den wahrnehmbaren Helligkeitswerten, zwischen 15 und 25.

In der Farbenlehre unterscheidet man zwischen Primärfarben und Sekundärfarben, wobei die

erstgenannten die Grund- oder Urfarben bilden, die anderen die Mischfarben, die aus der

Mischung von zwei oder mehr Primärfarben entstehen.

Die Erfassung, Verarbeitung und Ausgabe von farblichen Darstellungen erfolgt nach

Farbmodellen. Die Farbmodelle bilden eine Optimierung dessen, was theoretisch an Farben

darstellbar ist. Dieser Farbbereich heißt Farbraum oder Gamut und ist abhängig von den

Farbraum

color space

RGB- und CMY-Farbraum im Farbkreis

Farbtemperaturen oder den Koordinatenwerten der

einzelnen Primärfarben.

Da die lichtumwandelnden Sensoren und Farbfilter in

den Eingabegeräten von Scannern, Digitalkameras und

Videokameras eigene Kennlinien und Hysteresen

haben, und außerdem nicht exakt die Werte

repräsentieren, die die Theorie vorgibt, kann die

Farberfassung immer nur eine Näherung an die

Farbmodelle darstellen. Gleiches gilt für die

Ausgabegeräte, wie Monitore, Projektoren, Displays

und Farbdrucker. Hier spielen die Wellenlängen von den

Primärfarben Rot, Grün, Blau (RGB) der Phosphore,

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Leuchtdioden

Projektorlampen und Farbfilter sowie die Kennlinien und die Intensität der Druckerfarben eine

entscheidende Rolle. Die Erfassung und Darstellung kann allerdings kein größeres

Farbspektrum umfassen als die Farbmodelle theoretisch vorgeben. Der darstellbare

Farbbereich der Geräte ist deren Farbraum und dieser liegt immer innerhalb des Farbraums von

dem entsprechenden Farbmodell. Der Farbraum der Peripheriegeräte umfasst alle Farben, die

nachgebildet werden können. Er ist also geräteabhängig und wird in bestimmten

Druckerprogrammen im Farbkreis eingeblendet.

Mit anderen Farbräumen wie xvYCC und RGBCY und Hintergrundbeleuchtungen mit Wide Color

Gamut (WCG) kann der Farbraum von Displays so erweitert werden, dass er fast alle in der

Natur vorkommenden Farben umfasst.

Farbräume sind für die gleichen Farbmodelle unterschiedlich und hängen von den Wellenlängen

der verwendeten Primärfarben ab, die unterschiedlich sein können. Um eine einheitliche

Farbreproduktion mit einer breiten Farbpalette von der Bilderfassung bis zur Bildausgabe zu

erhalten, benutzt man standardisierte Farbräume. Diese setzen zwangsläufig eine

hochwertige Hardwaretechnik voraus und werden ausschließlich in der professionellen

Bildbearbeitung eingesetzt. Anders ist es in der Konsumelektronik, dort werden Farbpaletten

mit reduzierten Farbräumen eingesetzt. Ein solcher Farbraum ist der von sRGB. Mit Standard-

RGB (sRGB) gibt es zwar einen definierten Farbraum, der allerdings nicht von allen Computer-

und Konsumelektronikherstellern angewendet wird.

Der Farbraum wird durch das ICC-Profil vom International Color Consortium, einem normierten

Datensatz, beschrieben. Der Anwender erkennt dies an der Extension *.icc.

Zur Vergleichbarkeit von Farben und zum Zwecke der Farbmischung wird die spektrale

Charakteristik des Lichts als Farbtemperatur in Kelvin (K) angegeben. Die Kelvin-Skala reicht

Farbtemperatur

CT, color temperature

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Leuchtdioden

von Kunstlicht, dem langwelligen Licht, das bei Kelvin-Werten von 3.200 K liegt, über

Tageslicht bis hin zu Blau, einem kurzwelligen Licht, von 10.000 K. Theoretisch entspricht die

Farbtemperatur der Wellenlänge, die ein idealer schwarzer Körper bei Erhitzung auf die

entsprechende Temperatur abgeben würde.

Der Weißlichtstandard, das ist das Normlicht für die Druckindustrie, hat 5.000 K (D50). Im

CIE-Farbraum hat dieses Weiß xy-Koordinaten von 0,3457/0,3585. Die Farbtemperatur für

Tageslicht ist abhängig von der Sonneneinstrahlung. Normales Tageslicht hat eine

Farbtemperatur von 5.000 K (D50), während sie in der Mittagssonne 6.500 K Beträgt. Die CIE-

Bezeichnung für diese Lichtart ist D65 und hat die xy-Koordinaten 0,312713/0,329016. Dieser

Wert ist für Projektorlampen ideal, da bei dieser Farbtemperatur die projizierten Farben am

natürlichsten dargestellt werden. Für einfache Monitore werden zeitweise Farbtemperaturwerte

von 9.300 K benutzt, was die Farbdarstellung allerdings einschränkt.

Außerdem wird das Weißlicht in der Beleuchtungstechnik nach einer internationalen

Farbbezeichnung spezifiziert. Dabei unterscheidet man zwischen Glühlampenweiß, Warmweiß,

Neutralweiß und Tageslichtweiß, deren Farbtemperaturen die zweite und dritte Stelle der

internationalen Farbbezeichnung bilden.

In der Studio- und Filmtechnik arbeitet man mit der reziproken Farbtemperatur, der daraus

ermittelte Wert nennt sich Mired-Wert.

Der Farbton einer Farbe ist durch deren Spektralfrequenz bestimmt. Diese repräsentiert eine

Lichtstrahlung mit einer bestimmten Wellenlänge. Es ist der subjektive farbliche Eindruck, der

sich von Unbunt unterscheidet.

Farbtöne werden mit Farbnamen bezeichnet: Rot (R), Grün (G), Gelb (Y), Blau (B) usw. Dabei

unterscheidet man nach einem Modell von Albert Henry Munsell (1858-1918) zwischen fünf

Farbton

hue

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Leuchtdioden

Hauptfarbtönen, neben den genannten noch Purpur

(M) und weiteren fünf Zwischenfarbtönen, nämlich

Gelb-Rot, Grün-Gelb, Blau-Grün, Purpur-Blau und

Rot-Purpur. Diese zehn Farbtöne gleichmäßig in

einem Kreisdiagramm angeordnet, ergeben den

Farbkreis, bei dem der Nullpunkt bei Rot liegt. Im

Farbkreis wird der Farbton durch den Winkel

definiert. Rot hat den Winkel 0°, Gelb 60°, Grün

120°, Cyan 180°, Blau 240° und Magenta 300°.

Farbtöne bilden zusammen mit der Farbsättigung

bilden die Farbart.

Das menschliche Auge kann ca. 130 verschiedene

Farbtöne unterscheiden. Der Farbton einer Farbe

Bestimmung der Farbart über den Farbwinkelund die Farbsättigung

ist durch deren Spektralfrequenz bestimmt. Diese repräsentiert eine Lichtstrahlung mit einer

bestimmten Wellenlänge. Es ist der subjektive farbliche Eindruck, der sich von Unbunt

unterscheidet.

Farbtöne werden mit Farbnamen bezeichnet: Rot (R), Grün (G), Gelb (Y), Blau (B) usw. Dabei

unterscheidet man nach einem Modell von Albert Henry Munsell (1858-1918) zwischen fünf

Hauptfarbtönen, neben den genannten noch Purpur (M) und weiteren fünf Zwischenfarbtönen,

nämlich Gelb-Rot, Grün-Gelb, Blau-Grün, Purpur-Blau und Rot-Purpur. Diese zehn Farbtöne

gleichmäßig in einem Kreisdiagramm angeordnet, ergeben den Farbkreis, bei dem der

Nullpunkt bei Rot liegt. Im Farbkreis wird der Farbton durch den Winkel definiert. Rot hat den

Winkel 0°, Gelb 60°, Grün 120°, Cyan 180°, Blau 240° und Magenta 300°.

Das menschliche Auge kann ca. 130 verschiedene Farbtöne unterscheiden.

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Leuchtdioden

Footlambert (fL) ist eine Beleuchtungsgröße, die von diffusen Oberflächen emittiert oder

reflektiert wird. Das Footlambert wird bei der Projektikon benutzt. Je höher der Wert ist, desto

heller ist die Darstellung.

Das Footlambert ist eine veraltete Beleuchtungseinheit für die Lichtstärke, die in den USA

benutzt wurde. 1 Footlambert entsprechen 3.426 Candela pro Quadratmeter (cd/qm).

Die Helligkeit ist ein Maß für die Lichtleistung, die von einem Bildschirm abgestrahlt wird. Ist

die Lichtleistung hoch, empfindet der Betrachter das Bild als hell, ist sie gering, empfindet er

es als dunkel. Die Bewertung der Helligkeit erfolgt über die Maßeinheit Candela/qm. Eine als

angenehm empfundene Helligkeit hat etwa 200 Candela/qm.

Die Helligkeit ist neben dem Farbton und dem Farbkontrast für die Erkennung von Bilddetails

maßgeblich. Das menschliche Auge kann je nach Farbbereich zwischen 16 und 26

verschiedenen Helligkeitswerten unterscheiden, wobei das Helligkeitsempfinden logarithmisch

ist. Dunklere Helligkeitswerte benötigen daher nur einen Bruchteil der tatsächlichen

Intensität. So kann ein 50-prozentiger Grauwert mit nur etwa 20 % der Intensität erzeugt

werden, die man für den Weißwert, also den 100-%-Wert benötigen würde.

Die Effizienz der Lichtumsetzung, die Efficacy, liegt bei Tageslicht bei 680 Lumen pro Watt

(lm/W), bei einer Lichtwellenlänge von 555 nm.

Indium-Gallium-Nitrid (InGaN) ist eine der bevorzugten Chip-Technologien für Leuchtdioden

(LED). Mit InGaN können LEDs produziert werden, die Licht mit Wellenlängen von ultraviolett

bis grün emittieren. Die unterschiedlichen Wellenlängen werden durch Änderung der Anteile an

Indium und Gallium erzielt. Eingesetzt wird die InGaN-Technologie u.a. in Scheinwerfern und

Blinklichtern von Kraftfahrzeugen.

Footlambert

fL, footlambert

Helligkeit

brightness

InGaN, indium gallium

nitride

Indiumgalliumnitrid

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Leuchtdioden

Kelvin (K) ist eine Maßeinheit für die Temperatur, die nach dem englischen Physiker William

Thomson, Lord Kelvin (1824 bis 1907), benannt ist. Die Kelvin-Skala beginnt beim absoluten

Nullpunkt, bei der kein Teilchen mehr Bewegungsenergie besitzt und der bei -273,15 °Celsius

(C) bzw. 0 Kelvin liegt. Die Temperaturdifferenz von 1 K entspricht der von 1 °C. Damit ergibt

sich bei 0 °C eine Temperatur von 273,15 K.

Das Kelvin-Grad wird in der Physik und in anderen technischen Bereichen wie bei der Angabe

von Farbtemperaturen oder Rauschtemperaturen von LNBs in Satellitenempfangsanlagen

verwendet. Ebenso bei der Angabe der Farbtemperatur von Projektorlampen.

Eine Leucht- oder Lumineszenzdiode (LED) ist ein Halbleiterbauelement der Optoelektronik,

das infolge Elektrolumineszenzerscheinungen Licht emittiert. Die Elektrolumineszenzdiode

wandelt durch elektrischen Strom zugeführte Energie direkt in Licht um und ist eine

Kaltlichtquelle. Das Prinzip beruht auf Elektrolumineszenz. Darunter versteht man die

Fähigkeit von Halbleitern Elektronen mit gleichzeitiger Abstrahlung von Photonen zu

verlagern. Dies geschieht durch einen sogenannten Elektronen- oder Quantensprung von einer

Schale des Bohrschen Atommodells auf eine andere. Ein Quantensprung erfolgt immer unter

Aufnahme oder Abgabe der Energiedifferenz. Bei dem Übergang von einer höheren in eine

niedrigere Energiestufe wird die Energie in Form eines Photons abgegeben. Den Prozess der

wechselseitigen Aufnahme von Energie und späterer Rückkehr in den Urzustand unter

Abstrahlung von Licht (Photonen) nennt man Lumineszenz.

Für diese Photonen-Emission werden Halbleiter aus der 3. und 5. Gruppe des Periodensystems

benutzt: Nitrate wie Galliumnitrid (GaN) oder Indiumnitrid (InN), Phosphide wie

Galliumphosphid (GaP) oder auch Arsenide wie Galliumarsenid (GaAs) oder Indiumarsenid

(InAs). Diese Halbleiter oder Kombinationen daraus bestimmen die Farbe der Lichtemission.

Kelvin

K, kelvin

LED, light emitting diode

Leuchtdiode

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Leuchtdioden

Da kein Halbleiter ein

weißes Licht

emittiert, erzeugen

weiß leuchtende

LEDs, WLED, eine

blaue Lichtemission,

die eine darüber

liegende

Phosphorschicht

wiederum zur

Lichtemission anregt.

Daher kann das Licht

der weiß leuchtenden

LEDs blaustichig sein.

Die Farbtemperatur

liegt bei etwa 5.600Farben von Standard-Leuchtdioden

Kelvin. Es gibt auch Leuchtdioden-Arrays mit einstellbarer Farbtemperatur, die das Tageslicht

von 6.500 Kelvin erzeugen können.

Leuchtdioden werden ebenso wie Laserdioden in der Kommunikation als Lichtquelle für die

Übertragung in optischen Medien benutzt, darüber hinaus als Statusanzeigen, in LED-Displays

oder inzwischen auch in der Beleuchtungstechnik. Wichtige Kennwerte von Leuchtdioden sind

der Lichtstrom sowie die im Bin-Code zusammengefassten Kennwerte für das Farb- und

Helligkeitsempfinden.

Bei den in der optischen Übertragungstechnik eingesetzten LEDs liegt die Abstrahlfläche

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Leuchtdioden

zwischen 50 µm und 100 µm und darüber. Sie

werden daher primär in Multimodefasern

eingesetzt. Da die Abstrahlung größer ist als der

Kernglasbereich, spricht man bei der LED-

Einkopplung von Overfilled Launch (OFL).

LEDs haben eine gewisse Trägheit bei der

optischen Signalgenerierung, die auf ihre

Schalthysterese zurückzuführen ist. Sie sind

daher für hochbitratige Anwendungen wie sie in

Gigabit-Ethernet, 10-Gigabit-Ethernet und 100-

Gigabit-Ethernet vorkommen ungeeignet und

werden durch VSEL-Laser ersetzt.

LEDs auf der Halbleiterbasis Gallium-ArsenidKennlinie einer roten LED

(GaAs) strahlen auf einer Wellenlänge von 850 nm. Es gibt sie aber auch in anderen

Dotierungen für die Wellenlängen bei 1.300 nm und 1.500 nm. Die typischen

Ausgangsleistungen liegen bei 1 mW, die Koppelverluste bei -17 dB.

Leuchtdioden erzeugen diffuses (inkohärentes) Licht, das in einem relativ großen Winkel

abgestrahlt wird. Dieser liegt zwischen 40 und 90 Grad. Die spektrale Fensterbreite beträgt 70

nm und kann mit Modulationsfrequenzen von bis zu ca. 250 MHz moduliert werden. Die

generierbaren Impulsanstiegszeiten liegen bei 1 ns, wodurch der Einsatz bei

Übertragungsraten von 1 Gbit/s begrenzt ist.

Je nach Einkopplung unterscheidet man bei den LEDs zwischen Flächenemitter-LEDs und

Kantenemitter-LEDs.

Leuchtdioden werden auch für die Hintergrundbeleuchtung von LCD-Displays entwickelt und

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Leuchtdioden

als Power-LEDs zunehmend in der Raumbeleuchtung und der Automotive-Technik in Form von

LED-Lampen, LED-Spots und LED-Scheinwerfern eingesetzt. Die bereits zur Verfügung

stehenden lichtstarken Leuchtdioden haben einen Lichtstrom von 200 Lumen und mehr, der

von der Helligkeit her bereits im Bereich einer 20-W-Halogenlampe liegt und einem

Farbwiedergabeindex von 95 entspricht.

Als Weiterentwicklungen sind die OLEDs, PLEDs, die UV-LEDs, die in der UV-

Oberflächenbehandlung eingesetzt werden, und die AC-LEDs für die Raumbeleuchtung zu

nennen, die direkt an das Stromnetz angeschlossen werden können.

Der Begriff Leuchtdichte wird bei Displaytechniken benutzt. Es handelt sich dabei um die

Lichtstärke bezogen auf eine Flächeneinheit, angegeben in Candela pro Quadratmeter (cd/

Leuchtdichte

light density

Licht- und Beleuchtungseinheiten

qm). Es ist das sichtbare Licht, das von

einer Leuchtdiode oder einem Display in

einer bestimmten Richtung abgestrahlt

wird. Dabei kann die Abstrahlung durch

Emission erfolgen wie bei den aktiven

Displaytechniken, beispielsweise beim

TFT-Display oder beim Plasma-Display,

sie kann aber ebenso durch Reflexion

verursacht werden, wie beim LCD-

Display.

Häufig wird die Leuchtdichte auch in nits

angegeben. Dabei handelt es sich um

die in USA gebräuchliche Angabe, die

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Leuchtdioden

aus dem lateinischen Wort nitere, was scheinen heißt, abgeleitet wurde. Das Nit bezieht sich

auf die Lichtstärke, angegeben in Candela (cd) auf eine Flächeneinheit: 1 Nit ist gleich 1 cd/

qm.

Daneben wird in den USA für die Leuchtdichte auch die veraltete Dimension Footlambert (fL)

benutzt. Wobei 1 Footlambert gleich 3.426 cd/qm bzw. 3,426 nits sind.

Früher wurde die Leuchtdichte in Apostilb (asb) angegeben. 1 Apostilb entspricht 0,31831 cd/

qm.

Licht ist eine elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich zwischen 380

nm (Blau) und 780 nm (Rot).

Licht

light

Wellenlängen und deren Frequenzbereiche für das sichtbare Licht

Licht ist charakterisiert durch

die Farbtemperatur, in der sich

der Farbton, also die

Wellenlänge des Lichtes, und

die Helligkeit widerspiegeln.

Normalerweise wird als Licht nur

das dem menschlichen Auge

sichtbare Licht bezeichnet. Aber

auch nichtsichtbare

Wellenlängen wie Infrarot oder

Ultraviolett gehören zu den

Lichtwellenlängen.

Licht breitet sich im Vakuum mit

einer Geschwindigkeit von

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Leuchtdioden

300.000 km/s aus. Diese Geschwindigkeit heißt Lichtgeschwindigkeit (c0). In dichteren Medien

wie Glas reduziert sich diese Geschwindigkeit auf den Wert „c“.

Die Lichtart definiert den Wellenlängenbereich des Lichtes, der von einer emittierenden

Lichtquelle erzeugt wird. Die Lichtart ist also abhängig von der Farbtemperatur und ihrem

Emissionsspektrum, der spektralen Verteilung der Lichtenergie.

Die Commission Internationale díEclairage (CIE) hat diverse künstliche und natürliche

Lichtarten definiert und diese mit den Buchstaben bezeichnet.

So entspricht die Lichtart „A“ dem Licht einer Glühbirne. Die Farbtemperatur liegt bei dieser

Lichtquelle bei 2.856 Kelvin (K), der Wellenlängenbereich zwischen 380 nm und 770 nm. <br>

Bei der Lichtart „C“, die bläulicher ist, liegt die Farbtemperatur bei 6.774 K, und mit Lichtart

„D“ wird Tageslicht, Daylight, spezifiziert. Diese Spezifikation spiegelt sich u.a. in

Projektorlampen wider. Bei den D-Lichtarten werden die ersten beiden Stellen der

Farbtemperatur als Zusatz hinter dem „D“ angegeben. So hat beispielsweise D65 eine

Farbtemperatur von 6.500 K, D55, die gelber ist als D65, eine von 5.500 K.

Lumen ist die Maßeinheit für den Lichtstrom, allgemein für die Helligkeit. Sie ist definiert als

der Lichtstrom, den eine punktförmige Lichtquelle allseitig ausstrahlt. Eine punktförmige

Lichtquelle von 1 Candela (cd) Stärke sendet allseitig einen Gesamtlichtstrom von 4 Pi aus,

das entspricht 12,57 Lumen (lm). Der Lichtstrom einer Glühbirne liegt zwischen 10 lm/W und

20 lm/W, Energiesparlampen und OLEDs haben etwa die doppelte Lichtausbeute,

Leuchtstoffröhren bringen es auf 100 lm/W und Power-LEDs erreichen über 70 lm/W.

Von der Lichtmenge spricht man, wenn ein Lichtstrom in einer festen Zeiteinheit zur

Verfügung steht: Lumen-Sekunden (lms).

Lichtart

illuminant

Lichtstrom

luminous flux

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Leuchtdioden

Organic Light Emitting Diode (OLED) ist eine Weiterentwicklung der LED für die Display-

Technik. Die aktiven, farbig leuchtenden OLEDs, entwickelt von Kodak, bestehen im Gegensatz

zu LEDs aus organischen Halbleitern, die in einem elektrischen Feld Licht emittieren. Da die

OLEDs selbstleuchtend sind, entfällt die bei LCD-Displays sonst übliche

Hintergrundbeleuchtung, was eine Energieersparnis mit sich bringt.

OLEDs sind mehrlagige Flächenemitter. Sie bestehen aus einer biegsamen, transparenten

Trägerfolie, auf die eine extrem dünne, elektrisch leitende Schicht aus Indium-Zinnoxyd (ITO)

aufgebracht ist. Zwischen dieser Anode und der zweiten Elektrode, der Kathode liegen

verschiedene Schichten: die Löcher-Injektionsschicht (HIL), die Löcher-Transportschicht (HTL),

die lichtemittierenden Polymerschichten (EL) und die Elektronen-Transportschicht (ETL). Die

Elektronen und Löcher fließen über das elektrische Feld zwischen der Anode und der Kathode

OLED, organic light

emitting diode

Aufbau der OLED

zur Mitte des

Flächenemitters,

wo sie in der

organischen

Polymerschicht

rekombinieren

und dabei

Photonen

aussenden. Das

so erzeugte Licht

gelangt durch

das transparente

Substrat zur

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Leuchtdioden

Displayoberfläche. Dabei bestimmt das Material der Polymerschicht die Leuchtfarbe. So

leuchtet Polythiophen rot, Polyfluor blau und Polyphenylenvinyl grün.

Von den elektrischen Eigenschaften her sind OLEDs durchaus mit konventionellen Dioden

vergleichbar. Liegt keine Spannung an, fließen nur geringe Sperrströme. Erst bei Erreichen

einer bestimmten Schwellspannung von einigen Volt wird der mehrlagige Flächenemitter

durchlässig und der Strom steigt schnell an. Die Betriebsspannung liegt zwischen 5 V und 10

V und die Stromdichte bei einigen Milli-Ampere bis hin zu einem Ampere pro

Quadratzentimeter.

Vom Aufbau her gibt es Aktiv-Matrix-OLEDs (AM-OLED) und Passiv-Matrix-OLEDs (PM-OLED).

Aktiv-Matrix-OLEDs haben bessere technische Eigenschaften, sind aber komplizierter

OLED als Beleuchtungselement, Foto: Philips

herzustellen als die mit Passiv-Matrix,

weil sie zur Ansteuerung

Dünnschichttransistoren benutzen.

Allerdings ist die Lebensdauer kürzer,

womit die Zeitspanne gemeint ist, bei

der der Helligkeitswert auf 80 % der

Anfangshelligkeit abfällt. Das hängt

damit zusammen, dass die Degration

der Helligkeit von der höchsten

Lichtstärke abhängig ist.

Bei Passiv-Matrix-OLEDs werden die

OLEDs aller Zeilen gleichzeitig

eingeschaltet, indem die gesamte Zeile,

an die alle Kathoden angeschlossen

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Leuchtdioden

werden, auf Masse gelegt wird. Diese Ansteuerung wird als Single Line Addressing (SLA)

bezeichnet. Die Helligkeit der OLEDs wird spaltenmäßig von den Anoden aus mit

Pulsweitenmodulation (PWM) gesteuert. Das bedeutet, dass die jeweilige OLED für kürzere

oder längere Zeit eingeschaltet wird. Die gesamte Helligkeitsansteuerung ist somit abhängig

von der Zeilenaktivierungszeit und der Pulsdauer an der Anode.

OLEDs zeichnen sich durch eine hohe Leuchtdichte und einen guten Kontrast aus und können

Graustufen darstellen. Ihre Leistungsaufnahme ist proportional zum Lichtstrom, sie sind

selbstleuchtend, biegsam, extrem flach und haben eine hohe Auflösung mit einer Pixelgröße

von 5 µm, die sich durch die Steuerleitungen für die Transistoren auf etwa 0,1 mm vergrößert.

Ihre Schaltgeschwindigkeit ist sehr kurz und liegt bei etwa 10 µs, darüber hinaus bieten sie

einen extremen Betrachtungswinkel von bis zu 160°. Sie können wie ein LCD-Display

angesteuert werden. Die Farbstabilität ändert sich mit der Lebensdauer, vor allem bei Blau,

wodurch sie farbstichig werden.

Dank ihrer Leuchtkraft, der Flexibilität und der geringen Leistungsaufnahme eignen sich OLEDs

ideal für das Display von Mobilgeräten wie Notebooks, PDAs, Handhelds, Handys, usw. oder

für den Einsatz im Kraftfahrzeug. Des Weiteren werden besonders hell leuchtende OLEDs als

Beleuchtungselemente entwickelt. Die Helligkeitswerte liegen bei 50 Lumen/W, die

Lichtstärke kann bis zu 100.000 cd/qm betragen, der Farbwiedergabeindex (CRI) beträgt 95

und die Lebensdauer liegt bei über 10.000 Betriebsstunden bei 100 cd/qm. Diese OLEDs

werden als White-OLEDs (WOLED) bezeichnet. Im Vergleich dazu haben Glühbirnen eine

Lichtausbeute, die zwischen 10 lm/W und 20 lm/W liegt.

Polymere Light Emitting Diode (PLED) sind wie OLEDs Neuentwicklungen von farbig

leuchtenden Komponenten für Displays. Die polymere Technik unterscheidet sich gegenüber

PLED, polymere light

emitting diode

21

Leuchtdioden

normalen LEDs und OLEDs durch den Aufbau. Die

PLEDs benutzen undotierte Polymere, die zwischen

zwei Elektroden angebracht sind.

Die Vorteile dieser Technik gegenüber LEDs sind

der geringe Energieverbrauch, die extreme

Flachheit und die Biegsamkeit des Displays sowie

die hervorragenden Leuchteigenschaften.

Die rasante Entwicklung der Leuchtdioden hatPower-LED

power LED

Selbstleuchtendes PLED-Display, Foto: Electronic

lichtstarke Power-LEDs hervorgebracht, die mehrere Watt an elektrischer Leistung

verbrauchen. Diese Power-LEDs, die man auch zu LED-Arrays kombiniert, werden dank ihrer

Lichtstärke für die Beleuchtung in Gebäuden, in LED-Projektoren, als LED-Spots und in LED-

4-Chip-Power-LED mit einem Farb-wiedergabeindex von 85, Foto: dotlight.de

Scheinwerfern, sowie in der Verkehrs- und

Signaltechnik und für die Straßenbeleuchtung

eingesetzt werden.

Hochleistungs-LEDs arbeiten mit Strömen von 2 A

und darüber, die von den Treiberschaltungen

erbracht werden müssen.

Die Vorteile von Power-LEDs gegenüber

herkömmlichen Leuchtmitteln liegen in

platzsparenden Bauweise und der enormen

Lichtausbeute, der sogenannten Efficacy, die bei

über 100 lm/W liegt. Die Helligkeit einer Power-LED

erreicht Werte von bis zu 1.000 Lumen (lm) bei

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Leuchtdioden

einer Farbtemperatur von 6.500 K. Es gibt auch Power-LEDs als White LEDs mit kaltweißem

und neutralweißem Licht, die sich für Raumbeleuchtung eignen.

Im Vergleich zur Power-LED liegt die Lichtausbeute der Leuchtstoffröhre zwischen 50 lm/W

und 80 lm/W, die von Energiesparlampen bei etwa 30 lm/W und die von Glühlampen bei etwa

10 lm/W. Außerdem ist die Lebensdauer der Power-LED mit über 50.000 Betriebsstunden

wesentlich höher als die von Glühlampen oder Leuchtstoffröhren.

Dazu ist allerdings anzumerken, dass die Lebensdauer der Power-LEDs sehr stark von der

Sperrschichttemperatur und damit von der Stromstärke abhängt und die Lebensdauerangaben

der verschiedenen Hersteller recht unterschiedlich sind. So geben einige Hersteller als

Lebensdauer die Zeit an, bei der die Helligkeit auf 70 % der Anfangshelligkeit gefallen ist,

andere geben den 50-%-Wert an.

Der Begriff Raumwinkel wird in der Beleuchtungstechnik benutzt und ist die Bezugsgröße

zwischen der Lichtstärke und dem Lichtstrom. Als Maß dient die Fläche, die der Raumwinkel

aus einer Einheitskugel herausschneidet. Beträgt der Raumwinkel 2Pi, dann entspricht die

Fläche der einer Halbkugel. Der Steradian beträgt in diesem Beispiel 1/(4 x pi).

Der Raumwinkel spielt bei Beleuchtungselementen eine entscheidende Rolle. So bei

Niedervoltlampen, Leuchtdioden und Power-LEDs.

Die Resonant Cavity LED (RC-LED) ist eine Leuchtdiode, die mit einem Resonanzkörper

arbeitet und sich gegenüber der normalen Leuchtdiode durch eine geringere spektrale

Bandbreite auszeichnet. Die RC-LED leuchtet bei 650 nm mit einer spektralen Breite von 10

nm. Die übertragbare Datenrate beträgt 600 Mbit/s, der Sendepegel liegt bei -2 dBm bis -6

dBm. Die RC-LED kann in einem großen Temperaturbereich zwischen -40 °C und +85 °C

Raumwinkel

sr, steradian

RC-LED, resonant cavity

LED

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Leuchtdioden

eingesetzt werden. Ihr Einsatz ist in Verbindung mit Polymerfasern und Glasfasern möglich,

mit PCS-Fasern ist er nur bedingt möglich.

Die SOLED-Technologie ist eine Display-Technik, die sich von der Anordnung der Organic Light

Emitting Diodes (OLED), gegenüber anderen Diplays unterscheidet. Bei der Stacked-OLED-

Technologie sind die lichtemittierenden Elektroden und das lichtemittierende Material der

OLEDs transparent. Es handelt sich um sogenannte Transparent OLEDs (TOLED). Da sie

lichtdurchlässig sind, können die drei Toleds für die Primärfarben Rot, Grün und Blau

übereinander angeordnet werden, was zu der Bezeichnung Stacked OLED (SOLED) geführt hat.

Jede der drei Toleds wird einzeln angesteuert und kann über den zugeführten Strom in der

Helligkeit variiert werden. Werden alle drei Toleds mit dem gleichen Strom angesteuert, dann

leuchtet das entsprechende Pixel unbunt, zwischen weiß, grau und schwarz. Bei Erhöhung der

Lichtstärke verändert sich der Grauwert hin zu Weiß.

SOLED, stacked OLED

Aufbau eines SOLED-Displays

Da die Toleds

übereinander

angeordnet sind,

besteht ein Pixel nicht

aus einem Farbtripel,

sondern aus einem

einzelnen in der Farbe

und der Helligkeit

steuerbaren

Bildpunkt.

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Leuchtdioden

SSL, solid state lighting

UV-LED, ultraviolet light

emitting diode

Die Bezeichnung Solid State Lighting (SSL) ist der Oberbegriff für alle Leuchtkomponenten, die

auf Halbleiterbasis arbeiten und infolge von Elektrolumineszenzerscheinungen Licht

emittieren. Darunter fallen Leuchtdioden und ihre vielfältigen Varianten wie die mit

organischen Materialien arbeitenden OLEDs und die flexiblen FOLEDs, die polymeren PLEDs,

die SOLEDs und TOLEDs.

SSL-Komponenten sind Kaltlichtquellen, die die zugeführte Energie in Licht umwandeln. Unter

Elektrolumineszenz versteht man die Fähigkeit von Halbleitern Elektronen mit gleichzeitiger

Abstrahlung von Photonen zu verlagern. Dies geschieht durch einen so genannten Elektronen-

oder Quantensprung von einer Schale des Bohrschen Atommodells auf eine andere. Ein

Quantensprung erfolgt immer unter Aufnahme oder Abgabe der Energiedifferenz. Bei dem

Lichtemission einer UV-A-LED

Übergang von einer höheren in eine

niedrigere Energiestufe wird die

Energie in Form eines Photons

abgegeben. Den Prozess der

wechselseitigen Aufnahme von

Energie und späterer Rückkehr in

den Urzustand unter Abstrahlung

von Licht (Photonen) nennt man

Lumineszenz.

UV-Leuchtdioden (UV-LED) sind

Ersatz für UV-Lampen und werden in

der Oberflächenbehandlung

eingesetzt. Sie strahlen in den

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Leuchtdioden

Wellenlängenbereichen UV-A, UV-B und UV-C mit Wellenlängen zwischen 200 nm und 400 nm.

Der Wellenlängenbereich vom UV-Licht „A“ (UV-A) liegt zwischen 315 nm und 400 nm und

verursacht eine Bräunung der Haut. Diese UV-Strahlung wird für die photokatalytische

Luftaufbereitung genutzt, UV-C mit Wellenlängen unterhalb von 280 nm wird in

Desinfektionsgeräten eingesetzt.

UV-LEDs werden in Zukunft auch für die Herstellung von weißen LEDs, WLED, benutzt.

Weiß ist in der Farbdarstellung die Farbe, die vollständig reflektiert und kein Licht absorbiert.

Sie umfasst alle Lichtenergie innerhalb des sichtbaren Spektrums. Weiß kann in seiner

Farbtemperatur angegeben werden oder aber mit den Koordinatenwerten im CIE-Farbraum.

Vom Farbempfinden her unterscheidet man in der Beleuchtungstechnik zwischen Kalt-Weiß,

Neutral-Weiß und Warm-Weiß. Während die Farbtemperatur von Kaltweiß zwischen 5.000

Kelvin (K) und 10.000 K liegt, ist die von Neutralweiß zwischen 3.500 K und 5.000 K und die

von Warmweiß zwischen 2.600 K und 3.500 K.

Bei Farbmessungen und Fernsehübertragungen ist Weiß ein Standard, der dem absoluten

Reflexionsverhalten entspricht.

Je nach Farbstandard weichen die Weißwerte geringfügig voneinander ab. So definieren der

PAL-Fernsehstandard nach der EBU, SMPTE und verschiedene Grafikprogramme Weiß mit einer

Farbtemperatur von 6.500 K (D65) im CIE-Farbraum mit den xy-Koordinaten 0,3127/0,3290.

Dies entspricht dem Tageslicht. Bei Bewölkung hat das Weiß eine Farbtemperatur von 5.500 K

(D55) und die Koordinaten 0,3324/0,3474.

In den verschiedenen Farbmodellen liegt Weiß am Ende der Unbunt-Achse. Bei den Graustufen

hat Weiß mit 100 % ebenso den höchsten Wert wie in der Munsell-Skala mit dem Wert 10.

In der digitalen Videotechnik gibt es ein Weiß, das oberhalb vom darstellbaren Weiß liegt und

Weiß

white

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Leuchtdioden

als Ultraweiß bezeichnet wird. Das ist der Signalbereich eines digitalen Videosignals, der

oberhalb von 100 % Weiß liegt. Dieser Bereich wird auch Headroom genannt. Im Englischen

wird dieser Bereich als „Whiter than White“ bezeichnet.

Die Spektralcharakteristiken von Leuchtdioden (LED) haben bei bestimmten Farben ihr

Maximum. Das können die Farben Rot, Grün oder Orange sein, aber nicht Weiß. Das für Weiß

erforderliche breite Wellenlängenspektrum kann nur indirekt mit Halbleiter-

Leuchtkomponenten erzeugt werden. Es gibt mehrere technische Ansätze um Warm-Weiß mit

Leuchtdioden zu erzeugen. Diese Ansätze kombinieren die Lichtemission unterschiedlich

strahlender Leuchtdioden oder Phosphore.

Einer dieser Ansätze ist Phosphor Conversion. Bei dieser Technik wird eine ultraviolett oder

blau strahlende UV-LED mit einem gelben oder multichromatisch fluoreszierenden Phosphor

WLED, white LED

Ultraweiße LED (WLED), Foto: Osram OptoSemiconductors

beschichtet. Der gelbe Phosphor wird von den

Photonen der blau strahlenden Leuchtdiode

aktiviert und konvertiert die blaue Strahlung

in ein gelblich-weißes Licht mit einem breiten

Wellenlängenspektrum. Die Farbtemperatur

dieser Pseudo-White-LEDs kann man beim

Fertigungsprozess festlegen. Sie gibt es in

warmweißem, neutralweißem und kaltweißem

Licht mit Farbtemperaturen zwischen 2.500

Kelvin und 10.000 Kelvin.

Andere Techniken arbeiten mit LED-Arrays aus

roten, grünen und blauen LEDs, die so zum

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Leuchtdioden

Leuchten angeregt werden, dass die Kombination der drei Lichtquellen weißes Licht emittiert.

Die drei LEDs werden in einem gemeinsamen Gehäuse dicht beieinander angebracht und

können in ihrer Farbtemperatur einzeln gesteuert werden. Dadurch kann die Farbtemperatur für

Weiß eingestellt werden.

Damit die Lichtausbeute von Leuchtdioden möglichst groß ist, wird das emittierte Licht in der

LED durch eine Verspiegelung nach außen reflektiert. Weiße LEDs können über die

Farbtemperatur, den Farbwiedergabeindex (CRI) und über die Farbstichigkeit bewertet werden.

Was die Farbtemperatur betrifft, so gibt es ultraweiße LEDs mit Farbtemperaturen zwischen

5.700 K und 6.500 K, neutralweiße und warmweiße LEDs mit Farbtemperaturen zwischen 2.700

K und 4.500 K. Der Farbwiedergabeindex liegt bei den gängigen WLEDs zwischen 70 und 80

und höher, und die Farbstichigkeit wird durch den Bin-Code festgelegt. In diesem Kennwert ist

das Farb- und Helligkeitsempfinden der Leuchtdioden (LED) zusammengefasst, da der Weißton

diverse Farbnuancen haben kann, die von grünlich, gelblich, bläulich bis hin zu violett reichen

können.

Die Lichtausbeute von WLEDs beträgt typischerweise 100 lm/W. Dieser Wert steht für die

Lichtstärke an der LED-Oberfläche.

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Leuchtdioden

Herausgeber

Klaus LipinskiDatacom-Buchverlag GmbH84378 Dietersburg

ISBN: 978-3-89238-182-2

Leuchtdioden

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